22.07.2019

Perowskite für die Optoelektronik

Start des Forschungsprojekts PerovsKET an der Universität Wuppertal.

Ein Team des Lehrstuhls für Elek­tronische Bauelemente an der Bergischen Univer­sität Wuppertal will den Weg für eine techno­logische Revolution ebnen. Dazu starten sie das Projekt „PerovsKET – Verbesserung der Mikro­struktur von Perowskiten mittels thermischem Nanoimprint als Schlüssel­technologie für großflächige Perowskit-Optoelektronik“. Kooperations­partner sind die Unternehmen AMO in Aachen und NB Technologies in Bonn. Das Projekt zur Erforschung wichtiger Basis­technologien für die Informations- und Kommunikations­technik der Zukunft wird aus dem Euro­päischen Fonds für regionale Entwicklung und vom Land Nordrhein-Westfalen über eine Laufzeit von drei Jahren mit insgesamt rund anderthalb Millionen Euro gefördert. 530.000 Euro gehen an die Bergische Uni.

Abb.: Die Lichtemission von Perowskit­kristallen soll in opto­elektronischen...
Abb.: Die Lichtemission von Perowskit­kristallen soll in opto­elektronischen Modulen genutzt werden. (Bild: Lehrstuhl für Elektron. Bau­elemente, BU Wuppertal)

Die Kombination elektronischer und photonischer Schaltungen auf einem Mikrochip stellt hinsichtlich Übertragungs­geschwindigkeit und Effizienz Funk­tionalitäten in Aussicht, die bislang nicht erreicht wurden. Neben der Informations- und Kommunikations­technik finden sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Sensorik bis hin zu „Labor-auf-dem-Chip“-Lösungen. Der integrierten Opto­elektronik fehlt allerdings die zentrale Komponente: eine geeignete Lichtquelle, die sich in Silizium­chips integrieren lässt. Hier kommen neue Halbleiter aus der Material­klasse der Perowskite ins Spiel. Sie weisen großes Potenzial für die Integration in die Silizium-Elektronik auf. Als wichtige Vorarbeit wurde in Zusammen­arbeit des Lehrstuhls für Elek­tronische Bauelemente unter Leitung von Thomas Riedl und der Arbeitsgruppe Mikrostruktur­technik unter Leitung von Hella-Christin Scheer ein neuartiger Herstellungs­prozess für besonders defektarme Perowskit-Schichten entwickelt. 

Dabei werden die aus einer Lösung aufgebrachten Schichten mittels eines thermischen Verfahrens rekristal­lisiert. „Sehr vereinfacht gesprochen, werden die anfangs sehr rauen und defektreichen Perowskit-Schichten mit einem sehr präzisen Bügeleisen glattgebügelt. Dadurch werden nicht nur optische Verluste durch Licht­streuung reduziert, sondern es werden auch Struktur­defekte im Perowskit-Halbleiter beseitigt, die Lasertätigkeit erschweren oder unmöglich machen. Auch eine Strukturierung der Perowskit-Schichten mit photonischen Resonator­strukturen, die für einen Laser benötigt werden, wird dadurch möglich“, erklärt Riedl. Das Verfahren sei für etablierte Halbleiter aussichtslos. „Erst die spezifischen Kristall­eigenschaften der Perowskite ermöglichen dieses Vorgehen“, ergänzt der Wissen­schaftler.

Ziel des Projekts PerovsKET ist es, die entwickelte Prozess­technik besser zu verstehen und das bisher noch in den Perowskiten enthaltene Blei durch andere Metalle zu ersetzen. Der Bonner Projektpartner NB Tech­nologies bringt ein patentiertes Nanoimprint-Verfahren mit innovativen Stempeln in das Projekt ein. Die Aachener AMO GmbH wendet innovative Struk­turierungs­verfahren an, um die verbesserten Perowskit-Materialien in silizium­basierte Chipsysteme zu integrieren. Die nanophotonischen Bauelemente sollen eine wesentlich verbesserte Leistungs­fähigkeit demonstrieren und Rekordwerte auch auf größeren aktiven Flächen als bisher erreichen. „Idealerweise leisten unsere Arbeiten auch einen wesentlichen Beitrag im globalen Rennen um die erste Perowskit-Laserdiode. Das über­geordnete Ziel bleibt aber die integrierte Opto­elektronik, um das Beste aus der Welt der Elektronik und der Photonik zu vereinen“, sagt Riedl.

BU Wuppertal / JOL

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